第06章 线粒体与细胞的能量转换.ppt

第六章线粒体与细胞的能量转换 Mitochondrionandenergyconversionincells 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 2 教学基本要求 1 掌握线粒体形态 数量 分布等显微特征 2 掌握线粒体的超微结构 熟悉线粒体的化学组成 3 熟悉线粒体基因组结构与特征 了解线粒体遗传系统与细胞核遗传系统的相互关系 4 熟悉氧化磷酸化的概念与机制 5 了解线粒体相关的临床意义 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 3 第一节线粒体的基本特征 一 线粒体的形态 数量和结构 一 线粒体的形态 数量与分布1 形态 一般呈粒状或杆状 可呈线状 哑铃形 分杈状或其它形状 因生物或细胞种类和生理状态而异 如肝细胞的呈椭球形和棒状 口腔粘膜上皮细胞的是球形颗粒 酵母菌的是分支形的 低渗状态下呈泡状 高渗状态下成线状 人胚肝细胞线粒体在发育早期是短棒状 晚期长棒状 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 4 2 大小 一般直径0 5 1 0 m 长1 5 3 0 m 在胰脏外分泌细胞中可长达10 20 m 称巨线粒体3 数量 因细胞的种类而不同 一个细胞中的线粒体数一般为几百到几千个 哺乳动物成熟红细胞中无线粒体 单细胞鞭毛藻1个酵母细胞1个大型分支的线粒体肝细胞约1300个巨大变形虫50万个 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 5 4 分布 与细胞能量需求相适应 代谢旺盛的细胞中较多功能活动旺盛的区域中较多 如在肝细胞中呈均匀分布 在肾细胞中靠近微血管 呈平行或栅状排列 肠表皮细胞中呈两极性分布 集中在顶端和基部 在精子中分布在鞭毛中段 线粒体在细胞质中可以向功能旺盛的区域迁移 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 6 光镜下人口腔粘膜上皮细胞中的线粒体 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 7 用离心法从小鼠肝脏分离的线粒体 詹那斯绿B染色 涂片相同区域不同焦平面的折光差异显示线粒体为亮绿色 上图 和暗绿色 下图 线粒体之间的杂质为细胞碎片 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 8 二 线粒体的结构 线粒体亚显微结构模式图 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 9 1 外膜 outermembrane 1 形态 光滑平整 厚5 7nm 2 组成 脂类与蛋白质各约1 2 标志性酶是单氨氧化酶 3 功能特性 通透性较高 含多种转运蛋白 孔蛋白 有直径2 3nm的含水孔道 允许分子量在10000以下的物质自由通过 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 10 2 内膜 innermembrane 1 形态 向内腔折叠形成嵴 表面积大 嵴上有特化的基粒 膜厚4 5nm 2 组成 脂类20 蛋白80 内膜的标志性酶是细胞色素氧化酶和琥珀酸脱氢酶 3 功能特性 通透性较低 分子量大于150的物质不能自由通过 有多种转运蛋白 选择通透性强 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 11 4 结构区域 基质腔 matrixspace 内膜围成 含基质 膜间腔 intermembranespace 内外膜之间的腔嵴 cristae 嵴是内膜向内腔突起形成的板状或管状折叠 嵴间腔 intercristaespace 嵴内腔 intracristaespace 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 12 ReturntoPage11 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 13 3 转位接触点 translocationcontactsite 1 定义 线粒体内 外膜相互接触的位置 此处膜间腔的狭 称为转位接触点 是物质进出线粒体的通道 2 功能性成分外膜转位子 Tom 受体蛋白内膜转位子 Tim 通道蛋白 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 14 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 15 4 基质 matrix 基质腔和嵴间腔中的胶状物质 成分有 1 酶类 三羧酸循环 脂肪酸氧化 氨基酸分解 蛋白质合成等 标志酶是苹果酸脱氢酶 2 mtDNA 双链环状 3 核糖体 70S 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 16 5 基粒 elementaryparticle 基粒是内膜基质腔面的ATP酶复合体 可催化ADP磷酸化生成ATP 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 17 二 线粒体的化学组成 线粒体的化学组成 一 蛋白质 占干重的65 70 三 DNA及遗传系统 有遗传半自主性 二 脂类 占干重的25 30 1 成分 卵磷脂 脑磷脂 心磷脂及磷脂酰肌醇 2 特征 卵磷脂含量最高 含心磷脂 胆固醇含量低 1 可溶性蛋白 基质中的酶蛋白和膜外在蛋白2 不溶性蛋白 嵌入膜内的结构蛋白和酶蛋白 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 18 三 线粒体的遗传体系 线粒体有自己的基因表达系统 但只编码10多种蛋白质 线粒体中已确定的酶有120多种 是半自主性细胞器 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 19 一 线粒体基因组特征1 线粒体基因组结构特征 1 DNA分子特征 裸露 环状 无内含子 结构紧密 编码序列占93 有重叠基因 有特殊秘密 1个分子 16596bp 多个拷贝 2 基因数量与类别 重链28个基因 轻链9个基因 共37个基因 2个rRNA基因22个tRNA基因13个蛋白质基因 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 20 13个蛋白质基因 1个编码细胞色素C还原酶b亚单位2个编码ATP酶复合体F0部位的亚单位3个编码细胞色素C氧化酶亚单位7个编码呼吸链NADH脱氢酶亚单位 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 21 ReturntoPage19 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 22 ReturntoPage19 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 23 线粒体遗传系统的特殊密码子 ReturntoPage19 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 24 2 线粒体基因组的功能特征 1 复制不受细胞周期限制 2 突变率高 缺乏修复能力 3 呈母系遗传 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 25 二 线粒体基因表达 特征 1 转录产物是包括mRNA和tRNA的多顺反子 2 mRNA不含内含子 很少有非翻译区 3 成熟的mRNA5 端没有帽 3 端有55个多聚A的尾部 4 翻译粒体核糖体中进行 核糖体蛋白由核基因编码 由细胞质运往线粒体 5 所有tRNA均由mtDNA编码6 多肽链起始氨基酸为甲酰甲硫氨酸 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 26 三 线粒体DNA的复制1 重链 轻链各有一个复制起始点2 重链先复制 顺时针方向 轻链后复制 逆时针方向 复制需2小时3 复制不受细胞周期限制 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 27 四 核基因编码蛋白质向线粒体的转运 线粒体内含有1000 1500种蛋白质 98 以上是由细胞核基因编码 胞质核糖体合成后运入线粒体的 线粒体接受核编码蛋白的区域有 基质 膜间隙 外膜和内膜线粒体蛋白无论进入线粒体的哪个区域均需要分子伴侣的协助 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 28 一 蛋白向线粒体基质的转运1 核编码线粒体蛋白质N端有基质导入序列 该序列可被线粒体外膜和内膜上的受体能识别并与之结合2 核编码线粒体蛋白前体与分子伴侣结合保持非折叠状态3 蛋白质分子运动产生的动力协助多肽链穿越线粒体膜4 非折叠的多肽链粒体基质内重新折叠成活性蛋白 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 29 二 线粒体蛋白进入线粒体其他部位1 核编码蛋白向线粒体蛋白膜间腔运输需要基质导入序列和膜间腔导入序列有两种方式进入膜间腔2 核编码蛋白向线粒体内膜和外膜的转运机制不甚清楚 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 30 五 线粒体的起源与发生 一 线粒体的起源 内共生 二 线粒体的发生 二分裂 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 31 第二节细胞呼吸与能量转换 一 细胞呼吸1 定义 在特定细胞器 主要是线粒体 内 在O2的参与下 分解大分子物质 释放出能量并储存于ATP的过程成为细胞呼吸 也称为生物氧化 2 特点本质上是粒体中进行的由一系列酶催化的氧化还原反应 所产生的能量储存于ATP的高能磷酸键中 反应在恒温 恒压条件下进行 反应过程中需要O2和H2O的参与 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 32 二 高能分子ATP通过ADP与ATP之间的相互转化进行细胞能量的转换与储存 转换过程可表示为 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 33 第三节细胞的能量转换 细胞所需能量来自细胞对葡萄糖 氨基酸 脂肪酸等能源物质的细胞氧化 细胞氧化可分为3个阶段 糖酵解和乙酰CoA的生成三羧酸循环氧化磷酸化 营养物质 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 34 一 糖酵解和乙酰CoA的生成 2NAD 2NADHC6H12O62CH3COCOOH 2H 2ADP 2Pi2ATP在细胞质基质中进行 不需氧 丙酮酸脱氢酶2CH3COCOOH 2HSCoA2CH3CO SCoA 2CO2 2H 2NAD 2NADH粒体基质中进行 不需氧 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 35 二 三羧酸循环 3NAD FAD3NADH FADH2CH3CO SCoA 3H2O2CO2 HSCoA 3H GDP PiGTP粒体基质中进行 不需氧 三羧酸循环是各种有机物进行最后氧化的过程 也是各类有机物相互转化的枢纽 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 36 1 2 3 4 5 6 线粒体内膜的穿梭机制 苹果酸 天冬氨酸穿梭系统 说明NADH进入线粒体的机制 1 苹果酸脱氢酶 2 苹果酸 酮戊二酸逆向运输载体 3 苹果酸脱氢酶 4 谷 草转氨酶 5 谷氨酸 天冬氨酸逆向转运载体 可交换运输此二类物质 6 谷 草转氨酶 胞质溶液 线粒体内 磷酸甘油穿梭机制 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 39 三 氧化磷酸化与ATP生成 一 呼吸链和ATP酶复合体1 呼吸链糖酵解和三羧酸循环中脱下的氢 以质子和电子的形式通过多种酶和辅酶构成的传递体系逐步传递 最后与氧结合成水 这样的递氢和递电子体系称为呼吸链或电子传递链 呼吸链中的酶和辅酶先构成酶复合体 再由酶复合体构成呼吸链 呼吸链中酶复合体按照严格的顺序排列粒体内膜上 在电子传递过程中逐步释放出能量 并储存于ATP中 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 40 线粒体内有两条主要的呼吸链 1 由复合体I III IV组成 催化NADH的脱氢氧化 2 由复合体II III IV组成 催化FADH2的脱氢氧化 任何两个复合物之间没有稳定的连接结构 而是由CoQ Cytc这样的可扩散性分子连接 Turntopage51 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 41 呼吸链中的脂蛋白复合体及其辅基成分 伴随H 跨膜转运 不伴随H 跨膜转运 不参与复合体构成的载体成分 NAD CoQ Cytc ReturntoPage46 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 42 Molecularbasisofoxidation Electron transportchainI TransportofelectronsfromNADH ReturntoPage47 2020 5 19 细胞生物学与遗传学教研室陈贤均制 43 Molecularbasisofoxidation Electro。